3D打印技術在汽車制造與維修領域應用研究

李 晨

（汕頭技師學院，廣東 汕頭 515041）

1 3D打印概述

1.1 3D打印的技術原理

3D打印技術也被稱之為增材制造，是一種快速成型的技術，以數(shù)字模擬文件作為基礎，使用金屬粉末、塑料粉末等可黏合材料，通過逐層打印的方式，來滿足構造的需求[1]。3D打印技術使用數(shù)字技術來控制3D打印機，目前主要使用在工業(yè)設計、模具制造等領域當中，航天、航空等高端制造領域也開始應用3D打印。在3D打印的過程中，使用了離散－堆積的思路，會利用一些特殊的添加劑，打印開始時，會利用模型文件的切片細化結果，通過不斷調(diào)整、增材得到符合實際物質(zhì)要求的配件。完成對零件的初步加工之后，還可以繼續(xù)根據(jù)需求完善固體的形狀，比如拋光、打磨等處理。目前能夠利用到3D打印中的材料有很多，并發(fā)展出很多成型技術方法，生產(chǎn)工作中可以根據(jù)材料要求和技術要求選擇合適的技術。

1.2 3D打印的技術特點

3D打印是目前世界上快速發(fā)展的高新技術，在工業(yè)生產(chǎn)模式上，3D打印技術將工業(yè)生產(chǎn)從傳統(tǒng)設計與制造分離，帶向一體化、信息化的方向，能夠最大程度節(jié)省人力、時間等方面的打印成本，有效提升了工作的效率。其次，在一些維修的而工作中，3D打印技術融入了信息化技術，因此設計工作不需要大量使用紙張和顏料，有效避免了生態(tài)污染和能耗，具有明顯的綠色環(huán)保屬性。作為一種重要的高新技術，3D打印技術在促進了很多行業(yè)的發(fā)展，對于提升工業(yè)生產(chǎn)水平有著非常重要的意義。

從經(jīng)濟、社會的角度來看，3D打印技術降低了制造的門檻，很多零件不需要在工廠完成生產(chǎn)，在家或者一些工作室都可以使用3D打印根據(jù)自己的需求和喜好打印出個性化的小物品。而隨著技術的成熟，在開源軟件和設備的支持下，人們可以自行進行3D打印機的組裝，也可以利用掃描獲得物品的3D數(shù)字建模。

2 3D打印汽車零部件的優(yōu)勢

3D打印技術的核心優(yōu)勢在于能夠基于信息化的要求生成各種形狀的物體，和傳統(tǒng)制造業(yè)的建材制造相比，3D打印技術在研發(fā)上有著周期更短、研發(fā)可視化性能更強、自由拓展能力更強、制造成本低和生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢[2]。3D打印技術已經(jīng)成為目前制造業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容和關鍵方向，結合目前的研發(fā)手段，使用3D打印技術可以對汽車零部件進行快速地生產(chǎn)，而且在零部件可行性的驗證過程中，也能夠進行優(yōu)化和完善，有利于縮短汽車零部件的研發(fā)周期，并大幅度降低生產(chǎn)成本。比如在進行缸蓋、同步器開發(fā)和塑料部件的生產(chǎn)中，可以保證對重點零部件質(zhì)量進行快速驗證。

另一方面，使用3D打印技術開展相關工作，不需要進行任何模具的加工，很大程度上降低了模具開發(fā)、制造過程中的工序，而且能夠有效節(jié)省對技術研發(fā)過程中的工序，降低了工作中設備和人力的投入。從目前的情況上來看，很多零件的模具開發(fā)周期都在3個月以上，使用3D打印技術能夠在不借助刀具、模具和工夾的情況下，僅用1周就完成高復雜性零件的生產(chǎn)，這就使得3D打印有了明顯的高效性。

目前，3D打印技術已經(jīng)突破了過去單純使用樹脂的局限，能夠使用化和塑料、金屬材料，成型周期和傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式相差無幾。在使用金屬材料時，會使用激光或者電子束對金屬粉末進行熔化處理，使其能夠分層進行金屬地堆積，從而形成金屬部件。而在汽車零部件制造的應用中，利用3D打印技術能夠省去模具開發(fā)的步驟，可以進行金屬材質(zhì)零件的直接制造，再加上目前的3D打印精度很高，因此金屬零部件的力學指標都能搞達到鍛造件的水平。

3 3D打印在汽車制造中的應用

3.1 零部件的制造

汽車制造的過程中，會有很多不同種類的零件，零件的制造周期、成本、消耗都是汽車制造的重要指標，為了能夠縮短汽車的開發(fā)周期，通過在汽車行業(yè)中引進3D打印技術，能夠提升零件的制造效率，并且能夠大幅度提高零件的生產(chǎn)質(zhì)量，最終降低零件的生產(chǎn)成本[3]。在使用3D打印進行汽車零件的生產(chǎn)時，可以及時地進行零件設計中的細微偏差進行挖掘，而且可以快速審核部件的工作原理和可行性，從而有效縮短零部件的開發(fā)周期。例如在進行橡膠、塑料和缸蓋類的輔助零件時，其中不需要使用任何的模具和金屬，可以有效簡化復雜的模具加工，明顯節(jié)省制造環(huán)節(jié)中的人力設備資源，以及降低成本上的投入。

3.2 輕量化零件的高效制造

為了能夠推動汽車制造行業(yè)的綠色化和可持續(xù)化的發(fā)展，汽車行業(yè)已經(jīng)提出了更高的標準要求，要求汽車的生產(chǎn)過程能夠朝著出節(jié)能減排、輕量化操作的方向轉化，提升汽車制造的環(huán)保節(jié)能水平。目前，很多汽車都會降低自身重量減少能量消耗，從而降低汽車內(nèi)部各種零部件的重量，一些企業(yè)根據(jù)市場和環(huán)保的要求，來對材料、零件采取輕量化的方式進行制造。3D打印是目前能夠?qū)崿F(xiàn)零件輕量化制造和降低質(zhì)量的位移途徑，比如對全尺寸的保險杠制造，就可以使用3D打印進行快速有效加工，所獲得的零件和傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比質(zhì)量更輕，并且也能滿足質(zhì)量的要求。

3.3 復雜模具的制造

在汽車行業(yè)的發(fā)展過程中，汽車的零件并沒有朝著簡單化發(fā)展，相反很多零件要求更加復雜，所以對于模具的制造要求相比以往更高，制造難度也在不斷增加。在傳統(tǒng)的模式下所制造的零件，如果遇到零件外形復雜、結構不合理這類情況時，模具只能通過拼接、鑲嵌的方式制造，導致零件的生產(chǎn)很難保證精確性，而且會嚴重降低零件的使用壽命，還會增加汽車的生產(chǎn)時間和復雜性。如果使用3D打印技術進行制造，可以使用SLS選區(qū)激光燒結技術，能夠進行復雜結構模具的加工，可以有效降低制造時間，而且可以更好地加強對制造精度的控制，從而有效提升模具的使用壽命。比如利用3D打印技術可以逐層對材料進行堆積來獲得實體模型，并且通過使用3D打印中的SLS選取激光燒結來推動整個模具的分層整合，達到制造融合的目的。

4 3D打印技術在汽車維修領域的應用

4.1 應用前景分析

如前文所述，3D打印技術的優(yōu)勢在汽車零件的制造中優(yōu)勢是明顯的，而在進行少量先進車型的零部件維修和更換時，有時可能由于零部件的數(shù)量比較小，再進行模具的開發(fā)就會導致大量的浪費，從而造成零部件的生產(chǎn)成本明顯提升。很多 4S店也不可能保證所有的車型的部件都配齊，尤其是對于一些已經(jīng)下線的車型，必然會做出庫存調(diào)整，而不是長時間保留零部件。企業(yè)也不可能對零部件的生產(chǎn)工作進行安排，于是就造成了汽車維修的困難，一些車輛會提前報廢。目前，很多私家車會連續(xù)使用十幾年甚至二十幾年，但是由于汽車的更新速度比較快，很多汽車生產(chǎn)企業(yè)不能持續(xù)生產(chǎn)已經(jīng)下線的汽車零部件，會讓汽車的維修變得極為困難。而使用3D打印技術，只需要保留汽車零部件的加工數(shù)據(jù)、3D數(shù)字模型等文件，就可以將零部件打印出來，這樣能夠避免長時間進行零部件維修帶來的影響，從而最大幅度地節(jié)約生產(chǎn)成本。

另一方面，目前汽車維修工作會使用很多特殊的工具，但是這些工具的需求量很低，導致生產(chǎn)成本高而且購買困難。而對于從業(yè)人員，只需要使用3D打印技術就能解決自己的需要，滿足對特殊工具的需求。如果工具存在缺陷，那么通過調(diào)整參數(shù)就可以進行修改，這也有利于是維修人員經(jīng)驗交流時研究新工具，促進維修人員維修技術的改進和提升。

4.2 生產(chǎn)維修工具的3D打印

使用3D打印技術獲得維修工具時，需要考慮原有工具的大小、尺寸、形狀等參數(shù)能夠滿足部件的特殊要求，工具數(shù)字模型創(chuàng)建時，一般都會是使用三維逆向掃描技術，獲得工具的數(shù)字模型文件?？梢允褂酶咝阅軓秃喜牧希鶕?jù)需求調(diào)整作業(yè)速度、層厚，根據(jù)相關的規(guī)章完成對工具的打印[4]。比如對維修扳手進行打印時，首先要建立起維修扳手的數(shù)字模型，然后使用RorE系統(tǒng)來進行切片處理，然后使用3DP技術來明確扳手的尺寸，之后用融合材料工具進行打印處理，并在打印結束繼續(xù)后續(xù)的打磨等工作。維修技術人員可以根據(jù)自身需求來對扳手進行簡單地調(diào)整，讓扳手能夠符合標準和使用要求。通過使用3D打印獲得工具，可以降低制造周期和縮減生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)工作的效能。

4.3 維修零件的3D打印

由于汽車維修和汽車的生產(chǎn)并不相同，汽車廠商為保護知識產(chǎn)權會限制各種零件數(shù)據(jù)的分享，因此很難從汽車企業(yè)獲得數(shù)字模型。因此一般都會采用實物掃描的方式獲得數(shù)字模型。通過使用紅外線設備，可以進行實物掃描，獲得實物的模型，然后可以進行數(shù)字模型的切片，并獲得零件的模型。然后就可以利用相關零件的材料進行3D打印，比如使用高分子材料進行打印工作，可以制造汽車的后視鏡，有效控制打印成本。載入出現(xiàn)汽缸故障問題，也可以利用3D打印技術進行緊急處理，保證零件可以在短時間之內(nèi)重復使用，延長汽車零部件的壽命。目前的汽車維修行業(yè)當中，通過使用3D打印技術已經(jīng)能夠進行門把手、輪轂、汽缸、變速器的3D打印工作，很多基礎部件都能利用3D打印技術制作，從而保證了維修的效率和經(jīng)濟收益。

5 結束語

通過施工3D打印技術，可以滿足特殊零件的生產(chǎn)和修理需要，汽車修理技師也能使用3D打印制造自身所需的工具，滿足日常工作的需求。因此，應該加強對3D打印技術在汽車領域應用的研發(fā)，推動標準制定，促進汽車行業(yè)的發(fā)展。